DE102015222657A1

DE102015222657A1 - Wärmeleitfähige Elastomermischung mit guten Gleiteigenschaften und Dichtung aus einer derartigen Elastomermischung

Info

Publication number: DE102015222657A1
Application number: DE102015222657.3A
Authority: DE
Inventors: Benjamin Rudin; Thomas Stöhr
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2015-11-17
Filing date: 2015-11-17
Publication date: 2016-05-04

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Elastomermischung zur Herstellung einer Dichtung (01). Die Elastomermischung zeichnet sich dadurch aus, dass sie hexagonales Bornitridpulver als Füllstoff enthält. Die Erfindung betrifft weiterhin die Verwendung einer Elastomermischung für eine Dichtung sowie eine Dichtung (01) umfassend einen Elastomerkörper (07) aus einer vulkanisierten Elastomermischung mit hexagonalem Bornitridpulver als Füllstoff.

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Elastomermischung, welche sich insbesondere zur Herstellung von Elastomerdichtungen eignet. Darüber hinaus betrifft die Erfindung auch die Verwendung einer derartigen Elastomermischung für eine Dichtung sowie eine aus einer derartigen Elastomermischung hergestellte Dichtung. Die Dichtung kann eine berührende Dichtung mit ein oder mehr Dichtlippen jedweder Art sein, beispielsweise ein Radialwellendichtring oder eine Dichtscheibe.
Hintergrund der Erfindung
Typische Anwendungen der erfindungsgemäßen Dichtung sind Einsatzorte, bei denen eine hohe Reibwärmeentwicklung im Dichtkontakt infolge einer hohen erforderlichen Dichtflächenpressung vorliegt. Derartige Bedingungen liegen beispielsweise aufgrund hoher Leckageanforderungen bei gleichzeitig hohen Drehzahlanforderungen bzw. bei hohem abzudichtenden Druck vor. Der Einsatzbereich erstreckt sich auf alle Größenbereiche von Industrie- über Automotive-Anwendungen bis hin zur Windkraft.
Die Basis jeder Gummimischung ist der Kautschuk, wobei entweder Naturkautschuk oder eines der etwa 15 Syntheseprodukte Verwendung findet. Eine Gummimischung besteht zu etwa 50 % aus Elastomeren. Die anderen Bestandteile einer Gummimischung bilden Füll- und Verstärkungsstoffe, Ruß, Additive, Vernetzungschemikalien, Weichmacher, Verarbeitungshilfen sowie sonstige Gummihilfsstoffe. In der Regel enthält eine solche Rezeptur ca. 10–15 verschiedene Bestandteile. Für Dichtungen werden üblicherweise Elastomermaterialien, wie Nitrilkautschuk (NBR), hydrierter Acrylnitrilbutadien-Kautschuk (HNBR), Fluorkarbon-Kautschuk (FKM) und ähnliche eingesetzt. Diese Elastomermaterialien besitzen eine Wärmeleitfähigkeit im Bereich von 0,2–ca. 0,9 W/mK. Elastomermischungen mit einem Talkumanteil von 28,8% erreichen parallel zur Schichtung beispielweise eine Wärmeleitfähigkeit von maximal 1,3 W/mK. Bei Verwendung von max. 30 % Kreide, Ruß oder Weichkaolin ist eine Wärmeleitfähigkeit von maximal 0,87 W/mK realisierbar.
Hexagonales Bornitrid hat eine Wärmeleitfähigkeit von bis zu 400 W/mK und ist bereits als Füllstoff in thermo- und duroplastischen Materialien für das thermische Management bei Elektronikbauteilen im Einsatz. Thermoplastische Compounds auf Basis von Bornitrid erreichen Wärmeleitfähigkeiten bis 15 W/mK und Füllgrade von bis zu 60 %. Angewendet werden diese auf Thermoplasten basierenden Materialen derzeit nur im Elektronikbereich, z. B. bei LEDs zur Entwärmung. Neben der guten Wärmeleitfähigkeit zeichnet sich hexagonales Bornitrid aufgrund seiner graphitähnlichen Molekülstruktur durch gute Gleiteigenschaften aus.
Wärmeleitfähige Elastomere sind aus dem LED oder OLED-Bereich bekannt. Die EP 2 484 956 B1 , EP 1 928 970 B1 und EP 1 791 911 B9 beschreiben Silikonelastomere, welche die Ableitung von Wärme nach außen, beispielsweise bei LEDs oder OLEDs ermöglichen.
Die WO 2009/144135 A1 zeigt einen wärmeleitfähigen Verbundwerkstoff mit vernetzbarem Polymer-Basis-Material und im Polymer-Basis-Material verteiltem Aluminiumpulver.
In der EP 2 492 303 A1 ist eine Polymerzusammensetzung mit wenigstens einem Thermoplast und hexagonalem Bornitrid beschrieben.
Aus der DE 10 2009 025 862 A1 ist eine wärmeleitende Gummimischung für Fahrzeugluftreifen bekannt, welche plättchenförmige Metallpigmente mit einem Massenanteil von 5 bis 25 phr in der Gummimischung zur Verbesserung der Wärmeleitfähigkeit nutzt.
Aufgabe der Erfindung
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Elastomermischung bereitzustellen, welche im vulkanisierten Zustand einen geringen Reibbeiwert und gleichzeitig eine große Wärmeleitfähigkeit aufweist. Des Weiteren soll eine Dichtung aus einer derartigen Elastomermischung zur Verfügung gestellt werden.
Beschreibung der Erfindung
Zur Lösung der erfindungsgemäßen Aufgabe dient eine Elastomermischung gemäß Anspruch 1. Die erfindungsgemäße Aufgabe wird weiterhin durch eine Dichtung gemäß Anspruch 5 sowie eine Verwendung gemäß Anspruch 4 gelöst.
Die erfindungsgemäße Elastomermischung zeichnet sich dadurch aus, dass sie hexagonales Bornitridpulver als Füllstoff enthält. Sie wird vorzugsweise zur Herstellung einer Dichtung, vorzugsweise einer berührenden Dichtung, insbesondere einer rotatorischen Dichtung eingesetzt.
Ein wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Elastomermischung ist darin zu sehen, dass sie in ihrem vulkanisierten Zustand sowohl eine hohe Wärmeleitfähigkeit als auch einen geringen Reibbeiwert aufweist. Diese, insbesondere für Dichtungen gewünschten, positiven Eigenschaften werden durch das in der Elastomermischung als Füllstoff enthaltene hexagonale Bornitridpulver erreicht. Hexagonales Bornitridpulver besitzt bekanntlich eine hohe Wärmeleitfähigkeit und zeichnet sich durch gute Gleiteigenschaften aus.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform beträgt der Massenanteil des hexagonalen Bornitridpulvers 5 bis 45 phr (parts per hundred rubber) an der Elastomermischung. Bei einem höheren Anteil dieses Füllstoffs besteht die Gefahr, dass die Elastomermischung zu spröde wird, was zu einer geringeren Elastizität führen würde und somit den Einsatzbereich der Elastomermischung einschränken würde. Für den bevorzugten Einsatz als Dichtung muss eine gewisse Elastizität sichergestellt werden.
Die Partikel des hexagonalen Bornitridpulvers sollten vorzugsweise eine Partikelgröße von 5 bis 75 µm aufweisen. Zu geringe Partikelgrößen unter 5 µm können zu Problemen bei der Einarbeitung bzw. Zudosierung des Füllstoffs führen. Größere Partikelgrößen über 75 µm bergen die Gefahr von Inhomogenitäten in der Elastomermischung. Bei der Verwendung als Dichtung können sich aufgrund erhöhter Kerbspannungen an den Füllstoffen bei den häufig recht filigranen Dichtlippen (Wandstärke z. B. 0,3 mm) die mechanischen Eigenschaften der Dichtung verschlechtern.
Die erfindungsgemäße Dichtung umfasst einen Elastomerkörper aus einer vulkanisierten Elastomermischung mit hexagonalem Bornitridpulver als Füllstoff.
Ein wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Dichtung ist darin zu sehen, dass durch den Anteil von hexagonalem Bornitridpulver in der Elastomermischung eine erhöhte Wärmeleitfähigkeit sowie ein verringerter Reibbeiwert im Vergleich zu bislang üblicherweise verwendeten Elastomermischungen erreicht werden kann. Dies ist insbesondere bei dynamischen, berührenden Dichtungen vorteilhaft, wo eine bessere Ableitung der im Dichtspalt entstehenden Reibwärme ermöglicht wird. Die entstehende Reibwärme wird nicht nur über das abzudichtende Bauelement, wie beispielsweise eine Welle, abgeführt, sondern auch über die Dichtung selbst. Bislang erfolgt die Wärmeableitung aus dem Dichtspalt nahezu ausschließlich über das abzudichtende Bauelement. Die Wärmeableitung wird erfindungsgemäß durch Schaffung eines zweiten Wärmeleitungspfades über die Dichtung mittels des wärmeleitenden Elastomermaterials der Dichtung ergänzt. Dadurch kann mehr Wärme aus dem Dichtspalt abgeführt werden, was zu einer geringeren Temperaturbelastung der elastomeren Dichtlippe führt. Die zulässigen Drehzahlen bzw. die maximal zulässige Dichtflächenpressung erhöhen sich im Vergleich zu herkömmlichen Dichtungen aus Standardmaterialien signifikant. Eine höhere zulässige Dichtflächenpressung führt zu geringeren Leckagen des Dichtsystems. Durch die bessere Wärmeableitung sowie die verbesserten Reibungseigenschaften treten während des Betriebs niedrigere Temperaturen an der Dichtlippe auf. Auf diese Weise kommt es zu weniger Verschleiß, wodurch sich die Lebensdauer der Dichtung verlängert. Der Einsatzbereich der erfindungsgemäßen Dichtung erweitert sich somit im Vergleich zu den vorbekannten Dichtungen hinsichtlich höherer zulässiger Drehzahlen, geringerer Reibung sowie niedrigeren Leckageraten.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform besitzt der Elastomerkörper eine Wärmeleitfähigkeit von 2 bis 15 W/mK. Mit einer derart realisierten Wärmeleitfähigkeit kann die im Dichtspalt entstehende Wärme gut über den Elastomerkörper abgeführt werden.
Die Dichtung weist vorzugsweise eine mit dem Elastomerkörper verbundene Armierung auf. Der Elastomerkörper ist bevorzugt stoffschlüssig an der Armierung befestigt. Durch die Armierung kann eine Verformung der Dichtung durch im Betrieb auftretende Kräfte wirksam vermieden werden. Eine Armierung aus Blech hat sich als günstig erwiesen.
Nach einer zweckmäßigen Ausführungsform ist die Dichtung als rotatorische Dichtung vorzugsweise als Dichtungsring ausgeführt. Die rotatorische Dichtung dient bevorzugt zur Abdichtung eines Raumes zwischen einem ersten Maschinenelement und einem in Bezug zum ersten Maschinenelement drehbaren zweiten Maschinenelement. Das erste und das zweite Maschinenelement sind dabei konzentrisch zueinander angeordnet. Die Maschinenelemente können beispielsweise eine Welle und ein die Welle zumindest teilweise aufnehmendes Gehäuse sein.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
Eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Dichtung wird nachfolgend anhand der einzigen beigefügten Figur näher erläutert. Die Figur zeigt dabei eine schematische Darstellung einer zwischen zwei Maschinenelementen eingebauten erfindungsgemäßen Dichtung.
Ausführliche Beschreibung der Zeichnung
Die erfindungsgemäße Dichtung 01 dient in der gezeigten Ausführung zur Abdichtung eines Raumes 02 zwischen einer Welle 03 und einem Gehäuse 04. Gehäuse 04 und Welle 03 sind konzentrisch zueinander angeordnet. Im Betriebszustand rotiert die Welle 03 mit einer Winkelgeschwindigkeit ω. Die gezeigte Anordnung trägt lediglich beispielhaften Charakter. Die Dichtung 01 kann zur Abdichtung beliebiger Maschinenelemente dienen. Sie ist vorzugsweise als berührende Dichtung ausgeführt. Mithilfe der Dichtung 01 wird ein Eindringen von festen Verunreinigungen und von Feuchtigkeit in den abzudichtenden Raum 02 verhindert.
In der gezeigten Ausführung ist die Dichtung 01 als Dichtungsring ausgebildet. Der Dichtungsring umfasst eine Armierung 05, vorzugsweise aus Blech, und einen Elastomerkörper 07 mit einer Dichtlippe 08. Der Elastomerkörper 07 ist bevorzugt stoffschlüssig an der Armierung 05 befestigt. Erfindungsgemäß besteht der Elastomerkörper 07 aus einer vulkanisierten Elastomermischung, welche hexagonales Bornitridpulver als Füllstoff enthält. Das hexagonale Bornitridpulver hat vorzugsweise einen Massenanteil von 5 bis 45 phr an der Elastomermischung. Die Partikel des hexagonalen Bornitridpulvers besitzen gemäß einer bevorzugten Ausführung Partikelgrößen von 5 bis 75 µm.
Der Elastomerkörper 07 besitzt bevorzugt eine Wärmeleitfähigkeit λ_Elastomer von 2 bis 15 W/mK. Im Vergleich hierzu weisen herkömmliche Elastomerdichtungen eine wesentlich geringere Wärmeleitfähigkeit im Bereich von 0,2 bis 0,9 W/mK auf. Die Welle 03 besitzt eine Wärmeleitfähigkeit λ_Welle.
Das der Elastomermischung beigefügte hexagonale Bohrnitridpulver hat weiterhin eine positive Auswirkung auf den Reibbeiwert des Elastomerkörpers 07, indem es den Reibbeiwert verringert. Durch die erhöhte Wärmeleitfähigkeit λ_Elastomer des Elastomerkörpers 07 kann die während des Betriebs im Dichtspalt 09 entstehende Reibwärme nicht nur über die Welle 03 sondern auch über den Elastomerkörper 07 der Dichtung 01 selbst abgeführt werden. Auf diese Weise wird ein zweiter Wärmeleitungspfad über die Dichtung 01 und das Gehäuse 04 mittels des wärmeleitenden Elastomerkörpers 07 geschaffen. Hierdurch kann mehr Wärme aus dem Dichtspalt 09 abgeführt werden. Die Temperaturbelastung der elastomeren Dichtlippe 08 kann durch die bessere Wärmeableitung sowie die verbesserten Reibungseigenschaften gesenkt werden, wodurch sich die Lebensdauer der Dichtung 01 deutlich erhöht.
Bezugszeichenliste

01: Dichtung
02: abzudichtender Raum
03: Welle
04: Gehäuse
05: Armierung
06
07: Elastomerkörper
08: Dichtlippe
09: Dichtspalt

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

EP 2484956 B1 [0005]
EP 1928970 B1 [0005]
EP 1791911 B9 [0005]
WO 2009/144135 A1 [0006]
EP 2492303 A1 [0007]
DE 102009025862 A1 [0008]

Claims

Elastomermischung zur Herstellung einer Dichtung (01), dadurch gekennzeichnet, dass sie hexagonales Bornitridpulver als Füllstoff enthält.
Elastomermischung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie hexagonales Bornitridpulver mit einem Massenanteil von 5 bis 45 phr aufweist.
Elastomermischung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikel des hexagonalen Bornitridpulvers Partikelgrößen von 5 bis 75 µm aufweisen.
Verwendung einer Elastomermischung nach einem der Ansprüche 1 bis 3 für eine Dichtung (01).
Dichtung (01) umfassend einen Elastomerkörper (07), dadurch gekennzeichnet, dass der Elastomerkörper (07) aus einer vulkanisierten Elastomermischung besteht, die hexagonales Bornitridpulver als Füllstoff enthält.
Dichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Elastomermischung hexagonales Bornitridpulver mit einem Massenanteil von 5 bis 45 phr enthält.
Dichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikel des hexagonalen Bornitridpulvers Partikelgrößen von 5 bis 75 µm aufweisen.
Dichtung (01) nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Elastomerkörper (07) eine Wärmeleitfähigkeit von 2 bis 15 W/mK besitzt.
Dichtung (01) nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine mit dem Elastomerkörper (07) verbundene Armierung (05) aufweist.
Dichtung (01) nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine rotatorische Dichtung (01) ist.